基于單片機(jī)交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言交通是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中人流、物流、資金流和信息流的主要載體。在現(xiàn)代社會(huì)中，沒(méi)有高效運(yùn)轉(zhuǎn)的交通運(yùn)輸體系，就不可能有經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛迅速增如，人們?cè)谫嵢∮蓹C(jī)動(dòng)車輛所帶來(lái)的巨額利潤(rùn)以及充分享受汽車巨大便利的同時(shí)，也越來(lái)越受到交通擁堵、交通事故頻發(fā)、環(huán)境污染加劇和燃油損耗上升所帶來(lái)的諸多問(wèn)題的困擾。在國(guó)外，特別是一些發(fā)達(dá)國(guó)家，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，早在上個(gè)世紀(jì)60年代，交通問(wèn)題就同漸突出；而我國(guó)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)較晚，機(jī)動(dòng)車輛擁有量相對(duì)較少，在改革開(kāi)放前及初期，這一問(wèn)題并不嚴(yán)重，但是近20多年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的

2、飛速發(fā)展，城市化、汽車化進(jìn)程加快，機(jī)動(dòng)車輛保有量迅猛增加，我國(guó)的交通狀況日漸惡化，交通擁擠以及能源、環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，特別是一些大城市，交通擁擠已成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。目前國(guó)內(nèi)已有一些自主開(kāi)發(fā)的城市交通控制與管理系統(tǒng)，但整體性能與國(guó)外同類系統(tǒng)相比較仍有較大差距，只在一些中小城市得到部分應(yīng)用。國(guó)內(nèi)城市尤其是大城市引進(jìn)的交通控制系統(tǒng)大部分為進(jìn)口的SCOOT和SCATS系統(tǒng)。由于我國(guó)交通流是混合交通流，和國(guó)外的交通流大不相同，國(guó)外的交通控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的使用效果不盡人意。所以迫切需要開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的、具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的智能交通系統(tǒng)。交通系統(tǒng)是一個(gè)非線性隨機(jī)性都很強(qiáng)的開(kāi)放

3、的復(fù)雜大系統(tǒng)，系統(tǒng)維數(shù)太高，加上人的參與，對(duì)其進(jìn)行有效的控制是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。這也是現(xiàn)有不管是基于方案選擇式的SCATS還是基于方案生成式的SCOOT系統(tǒng)都難于取得很好效果的原因。所以，必須采用先進(jìn)的智能控制理論來(lái)解決復(fù)雜的交通系統(tǒng)的控制問(wèn)題。本論文的研究目的就是針對(duì)城市交通問(wèn)題的現(xiàn)狀，從方法上對(duì)交通信號(hào)的優(yōu)化與控制問(wèn)題進(jìn)行研究和探討，以期為解決實(shí)際的城市交通問(wèn)題提供有益的方法和途徑。本文給出了硬件電路的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件架構(gòu)的搭建，并闡述了一種簡(jiǎn)單合理的設(shè)計(jì)方法。為保證系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下工作的可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力是必須要解決的問(wèn)題。結(jié)合實(shí)際情況，本文從硬件、軟件兩方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性

4、設(shè)計(jì)并取得了滿意的效果。1 基于單片機(jī)的多路口交通燈系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1總體方案設(shè)計(jì)概述隨著生活水平的提高，家庭汽車擁有量越來(lái)越多，城市交通堵塞問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，解決城市的交通擁擠問(wèn)題越來(lái)越緊迫。交通燈在這個(gè)交通環(huán)境中起著一個(gè)重要的角色，是交通管理部門(mén)管理交通的重要工具。國(guó)內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路口，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈，加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來(lái)控制行車。而目前絕大多數(shù)交通燈的時(shí)間都是設(shè)定好的，還存在以下缺點(diǎn)：1）兩車道的車輛輪流放行時(shí)間相同且固定， 在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車道為主干道，車輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些；另一車道為副干道，車輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短些。2）沒(méi)有考慮緊急車

5、通過(guò)時(shí)，兩車道應(yīng)采取的措施，臂如，消防車或急救車執(zhí)行緊急任務(wù)通過(guò)時(shí)，兩車道的車都應(yīng)停止，讓緊急車通過(guò)。這些缺點(diǎn)的存在，決定了傳統(tǒng)交通燈不能適應(yīng)當(dāng)前城市交通的要求，不能使城市車流的調(diào)節(jié)達(dá)到最優(yōu)。針對(duì)道路交通擁擠，交叉路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的情況，提出使用智能交通燈的要求。與傳統(tǒng)交通燈比較，智能交通燈作以下兩點(diǎn)的改進(jìn)措施：1）根據(jù)各道路路口車流量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間。2）考慮特殊車輛通行情況，設(shè)計(jì)緊急切換開(kāi)關(guān)。智能的交通燈能有效地緩解城市的交通壓力，減少交通事故；為人民節(jié)省大量出行時(shí)間，創(chuàng)造出更多的社會(huì)價(jià)值。 1.1.1 智能交通燈的設(shè)計(jì)要求A 設(shè)計(jì)一個(gè)具有主干道的三路口的交通燈控制系統(tǒng)，要求主干道和

6、其他支干道道路交叉路口的車輛交替運(yùn)行。車輛通行主要以主干道為主，在檢測(cè)主干道車流量后，才會(huì)檢測(cè)支干道車流量。根據(jù)車流量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間，車流量大，通行時(shí)間長(zhǎng)，車流量小，通行時(shí)間短。B 在交通燈顯示方面，經(jīng)過(guò)紅黃綠黃紅的這種邏輯狀態(tài)。C 東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時(shí)間都用數(shù)碼管顯示器進(jìn)行顯示（采用倒計(jì)時(shí)的方法）。D 考慮到特殊車輛情況，設(shè)置緊急轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制圖如下:圖1.1.1-1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制圖1.1.2 智能交通燈的方案論證目前設(shè)計(jì)交通燈的方案有很多， 有應(yīng)用CPLD實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制器的設(shè)計(jì)，有應(yīng)用PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

7、有應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)的方法。本文采用AVR單片機(jī)作為控制器，通行倒記時(shí)顯示采用LED 數(shù)碼管，通行指示燈采用發(fā)光二極管，LED顯示采用譯碼器控制，以節(jié)省端口數(shù)。特殊緊急車輛通行采用實(shí)時(shí)中斷完成，車流量大小采用地感線圈檢測(cè)電路完成。按以上系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，由于ATmega128單片機(jī)自單帶有3計(jì)數(shù)器，多個(gè)中斷源，端口很好的滿足要求。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，耗電較少，可靠性高等特點(diǎn)。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中

8、央處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 單片機(jī)經(jīng)過(guò)1、2、3代的發(fā)展，目前單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的CPU功能在增強(qiáng)，內(nèi)部資源在增多，引角的多功能化，以及低電壓底功耗。由于ATmega128具有較多的I/O口，便于對(duì)多路口交通燈以及顯示控制有一定優(yōu)勢(shì)，所以本文中我們采用較為先進(jìn)的AVR單片機(jī)中Atmega128單片機(jī)，考慮到車輛檢測(cè)器，采用地感線圈傳感技術(shù)，則主干大和其他道路都得有2個(gè)地感線圈傳感器，主干道有4個(gè)地感線圈傳感器，其他三路口道路共需要6個(gè)地感線圈傳感器，共16個(gè)地感線圈。地感線圈傳感器通過(guò)接

9、收端檢測(cè)到的電流變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和放大電路，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的信號(hào)并傳輸給單片機(jī)進(jìn)行時(shí)時(shí)處理。在顯示方面，則采用數(shù)碼管顯示器與AVR單片機(jī)ATmega128相結(jié)合實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備顯示控制的一種方法。1.2 三路口道路通行控制方案設(shè)計(jì)三路口道路通行控制的基本設(shè)計(jì)思路是：首先對(duì)多路口控制方案的研究要有層次，先從單路口控制開(kāi)始，然后將三路口控制整合起來(lái)，作為一個(gè)系統(tǒng)去考慮，這是一個(gè)明智的選擇。所以如果把三路口道路干線上所有路口看作一個(gè)系統(tǒng)，在相鄰路口的綠燈起始時(shí)刻建立一種時(shí)間關(guān)系，從而使車輛每到達(dá)一個(gè)路口時(shí)，正好遇到綠燈。這樣，在干線上行駛的車輛就可以獲得連續(xù)的通行權(quán)，那么，車輛的停車次數(shù)、排隊(duì)長(zhǎng)度

10、以及延誤時(shí)間就會(huì)大大減少?？刂屏鞒谭治? 從循環(huán)圖分析可知：東西方向和南北方向信號(hào)燈控制是中心對(duì)稱的，即無(wú)論是主十道還是支干道兩側(cè)系統(tǒng)對(duì)同方向的信號(hào)燈控制是同步的。 從循環(huán)圖分析可知：人行道無(wú)論哪個(gè)方向，系統(tǒng)對(duì)兩側(cè)4 個(gè)信號(hào)燈的控制也是同步的，且人行道的紅綠燈變化和行車道的紅綠燈變化應(yīng)該是一致的。 實(shí)現(xiàn)三個(gè)路口的協(xié)調(diào)工作模式，經(jīng)過(guò)對(duì)三路口車輛的檢測(cè)，并且對(duì)各交通燈進(jìn)行協(xié)調(diào)做出適當(dāng)?shù)目刂啤D1.2.1-1 三個(gè)路口圖通過(guò)對(duì)以上整體思路的分析，以用地感線圈傳感器檢測(cè)車輛、單片機(jī)進(jìn)行控制、鎖存芯片和顯示譯碼芯片的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)控制L E D燈和數(shù)碼管。通過(guò)鎖存芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)口的分時(shí)復(fù)用，簡(jiǎn)單易行，且編程

11、簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交換以及單片機(jī)的資源的充分利用?？磮D：圖1.2.1-1 單片機(jī)資源分布圖通過(guò)AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能交通的控制。1.3 車流量檢測(cè)方案1.3.1 地感線圈地感線圈是本智能交通自控系統(tǒng)中的最主要的檢測(cè)元件，主要由埋設(shè)在地表面下的線圈和信號(hào)提取與輸出裝置構(gòu)成。地感線圈的技術(shù)規(guī)格由車道的大小和埋設(shè)的深度決定，地感線圈主要由內(nèi)徑，外徑，線徑和匝數(shù)四大因素組成，一旦這四大因素確定，線圈的規(guī)格型號(hào)即可確定。地感線圈工作在最佳狀態(tài)下，線圈的電感量應(yīng)保持在100uH-300uH之間，在線圈電感不變的情況下，線圈的匝數(shù)與周長(zhǎng)有關(guān)系，周長(zhǎng)越小、匝數(shù)就越多，線圈匝數(shù)參考表1.3.1-1。表1.3

12、.1-1 線圈匝數(shù)參考表線圈周長(zhǎng)線圈匝數(shù)<300cm， 電感l(wèi)OOuH-3OOuH5-6匝3006OOcm4-5匝600-1000cm4-5匝10002500cm3匝25OOcm以上2匝由于道路下可能埋設(shè)有各種電纜管線、鋼筋、下水道蓋等金屬物質(zhì)，這些都會(huì)對(duì)線圈的實(shí)際電感值產(chǎn)生很大影響，在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)使用電感測(cè)試儀實(shí)際測(cè)試地感線圈的電感值來(lái)確定施工的實(shí)際匝數(shù)，只要保證線圈的最終電感值在合理的工作范圍之內(nèi)(如在100uH-300uH之間)，否則，應(yīng)對(duì)線圈的匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在理想狀況下(不考慮一切環(huán)境因素的影響)，地感線圈只考慮面積的大小(或周長(zhǎng))和匝數(shù)，可以不考慮導(dǎo)線的材質(zhì)。但在實(shí)際工程中，必

13、須考慮導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度和高低溫抗老化問(wèn)題，在某些環(huán)境惡劣的地方還必須考慮耐酸堿腐蝕問(wèn)題。在實(shí)際的工程中，建議采用01cm以上鐵氟龍高溫多股軟導(dǎo)線。以一個(gè)60X6ocrn的模擬十字路口交通模型為例，根據(jù)實(shí)際十字路口的尺寸按比例縮放，得到的車道大小約為3cm。設(shè)計(jì)時(shí)選擇的線圈內(nèi)徑為1.8*2.3 cm、外徑為2.0*2.5 cm、線徑為0.05cm、匝數(shù)為180n。1.3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置地感線圈的工作原理基于振蕩電路原理，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置是由一種基于電磁感應(yīng)原理的信號(hào)轉(zhuǎn)換線路構(gòu)成，該轉(zhuǎn)換電路主要由兩只三極管組成共射極振蕩器和地感線圈(電感元件)、電阻、電容等元件組成的耦合振蕩電路組成，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的電

14、路原理如圖1.3.2-1所示。圖1.3.2-1 信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的電路原理圖Ul和U2組成共射極振蕩器，電阻R3是兩只三極管的公共射極電阻，并構(gòu)成正反饋，地感線圈T作為檢測(cè)器諧振電路中的一個(gè)電感元件，與振蕩回路一起形成LC諧振。當(dāng)有大的金屬物(汽車)通過(guò)時(shí)，由于空間介質(zhì)發(fā)生變化引起了振蕩頻率的變化(有金屬物體時(shí)振蕩頻率升高)，將會(huì)使線圈中單位電流產(chǎn)生的磁通量增加，從而導(dǎo)致線圈電感值發(fā)生微小變化，進(jìn)而改變LC諧振的頻率，這個(gè)頻率的變化就作為有汽車經(jīng)過(guò)地感線圈的路面時(shí)的輸入信號(hào)，再將此信號(hào)通過(guò)由R7和C3組成的LC濾波電路，輸出穩(wěn)定的直流電壓，此電壓即可輸入到ATmega128控制系統(tǒng)。1.3.3 地

15、感線圈的埋設(shè)方法以十字路口中個(gè)方向的道路為例，考慮到右行通道車輛可以直接通過(guò)，只在直行通道和左行通道上埋設(shè)地感線圈。在每個(gè)通道上均埋設(shè)了兩個(gè)地感線圈，具體埋設(shè)位置參考圖1.3.1-1。前一個(gè)緊挨停車線，檢測(cè)駛離該車道的車量數(shù)；后一個(gè)埋設(shè)在距停車線5-lOcm處，一般考慮埋設(shè)在預(yù)計(jì)可正常停車數(shù)量所占位置的l-2倍處，檢測(cè)駛?cè)朐撥嚨赖能嚵繑?shù)；二者之差，既是該車道還存在的車輛數(shù)，也是等待通行的車輛數(shù)，此數(shù)據(jù)也是控制該路口交通燈狀態(tài)的依據(jù)。圖1.3.3-1 地感線圈埋設(shè)平面位置圖地感線圈埋設(shè)首先要用切路機(jī)在路面上切出槽來(lái)，在四個(gè)角上進(jìn)行45 角處理，防止尖角破壞線圈電纜；切槽寬度一般為0.4-0.8c

16、m，深度3-5cm，同時(shí)還要為線圈引線切一條通到路邊的槽，將雙絞好的輸出引線通過(guò)引出線槽引出。地感線圈埋設(shè)是在車道路面鋪設(shè)完成后或鋪設(shè)路面的同時(shí)進(jìn)行的，在線圈埋好以后，了加強(qiáng)保護(hù)，用瀝青或軟性樹(shù)脂將切槽封上。線圈安裝時(shí)，應(yīng)該盡量避免焊接點(diǎn)，萬(wàn)不得已則必須良好接觸井敞好絕緣；為避免電磁干擾，饋線使用屏蔽電纜，屏蔽電纜的屏蔽線在信號(hào)轉(zhuǎn)換器端良好接地；使用雙絞線，防止兩個(gè)相鄰線圈的饋線或與電源220v之間的相互干擾。2 智能交通控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 ATmega128簡(jiǎn)介主 控 制 器 采 用 ATmega128 ， 是 美 國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低功 耗，高性能 的8位單片 機(jī) ，片 內(nèi) 含

17、128k字節(jié)的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ) 器, 器 件 采 用 ATMEL 公 司 的 高 密 度 、非 易 失 性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。 它集 Flash 程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中 ，ATMEL 公司的功能強(qiáng)大 ， 低 價(jià) 位 ATmega128 單片機(jī)可為我們提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活 應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域?qū)tmega128產(chǎn)品特點(diǎn)： 高性能、低功耗的 AVR® 8 位微處理器 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) 133 條指令 大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成 32 x 8 通用工

18、作寄存器 + 外設(shè)控制寄存器 全靜態(tài)工作 工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash壽命: 10,000 次寫(xiě)/ 擦除周期 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的讀- 修改- 寫(xiě)操作 4K字節(jié)的EEPROM壽命: 100,000 次寫(xiě)/ 擦除周期 4K 字節(jié)的內(nèi)部SRAM 多達(dá)64K 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密 可以通過(guò)SPI 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容) 遵循JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描

19、功能 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試 通過(guò)JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程 外設(shè)特點(diǎn) 兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 兩路8 位PWM 6路分辨率可編程（2 到16 位）的PWM 輸出比較調(diào)制器 8路10 位ADC8 個(gè)單端通道7 個(gè)差分通道2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個(gè)可編程的串行USART 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器 片內(nèi)模擬比

20、較器 特殊的處理器特點(diǎn) 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè) 片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的RC 振蕩器 片內(nèi)/ 片外中斷源 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的Standby 模式 可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率 通過(guò)熔絲位可以選擇ATmega103 兼容模式 全局上拉禁止功能 I/O 和封裝 53個(gè)可編程I/O 口線 64引腳TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝 工作電壓 2.7 - 5.5V ATmega128L 4.5 - 5.5V ATmega128 速度等級(jí) 0 - 8 MHz ATmega128L 0 - 16 MHz ATmega128圖

21、2.1-1 引腳配置圖。2.2 主控制系統(tǒng)2.2.1 主控電路單片機(jī)的 PA0-7口通過(guò)CD4511與LED顯示器連接，作為數(shù)據(jù)輸入接口，PB0-5作為片選信號(hào)連接74LS138譯碼器，譯碼器控制是否選中CD4511，從而對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行控制。PD0-2與譯碼器連接，控制譯碼，對(duì)交通燈進(jìn)行控制，PC0和PC 1作為主干道方向和支干道方向車流量檢測(cè)輸入口并記錄車流數(shù)量。INT0和INT1用于主干道方向和其他方向緊急轉(zhuǎn)換控制。2.2.2 車輛檢測(cè)電路如何判斷兩路口車輛的狀況呢？ 我們要設(shè)計(jì)一套科學(xué)檢測(cè)車流量而自動(dòng)調(diào)整綠燈放行時(shí)間 （需設(shè)定上、下限）的 控 制 系 統(tǒng) ，這樣無(wú)疑會(huì)大大提高車輛通過(guò)率，有效

22、緩解交通壓力。 我們?cè)诿寇嚨儡囕v等待線的前方和后方都安裝一個(gè)地感線圈，根據(jù)檢測(cè)到的電磁感應(yīng)引起的電流變化，通過(guò)電路轉(zhuǎn)換和放大電路的處理，最終實(shí)時(shí)顯示有無(wú)車輛通過(guò)，并可以累計(jì)某段時(shí)間內(nèi)車輛流量大小.2.2.3 信號(hào)燈電路信號(hào)燈用來(lái)顯示車輛通行狀況，下面以一個(gè)十字路口為例，說(shuō)明一個(gè)交通燈的四種狀態(tài)。 每個(gè)路口的信號(hào)的的轉(zhuǎn)換順序?yàn)椋壕G-黃-紅。 綠燈表示允許通行，黃燈表示禁止通行，但已經(jīng)駛過(guò)安全線的車輛可以繼續(xù)通行，是綠燈過(guò)渡到紅燈提示燈。 紅燈表示禁止通行。 綠燈的最短時(shí)間為 20 秒，最長(zhǎng)時(shí)間為 40 秒， 紅燈最短時(shí)間為 25 秒，最長(zhǎng)時(shí)間為 45 秒，黃燈時(shí)間為 5 秒。由于南往北，北往南時(shí)

23、間顯示相同，所以只要一個(gè)方向多車，下次時(shí)間就要加長(zhǎng)。 東往西，西往東也一樣，顯示時(shí)間選擇如表2.3.3-1。表 2.2.3-1 顯示時(shí)間選擇車輛情況本次該方向通行時(shí)間下次該方向通行時(shí)間本次該方向通行時(shí)間本次該方向通行時(shí)間南往北少車，北往南少車20秒20秒40秒20秒南往北少車，北往南多車20秒40秒40秒20秒南往北多車，北往南少車20秒40秒40秒40秒南往北多車，北往南多車20秒40秒40秒40秒東往西少車，西往東少車20秒20秒40秒40秒東往西少車，西往東多車20秒40秒40秒40秒東往西多車，西往東少車20秒40秒40秒40秒東往西多車，西往東多車20秒40秒40秒40秒2.2.4

24、時(shí)間顯示電路在交通信號(hào)燈的正上方安裝一個(gè)可以顯示綠燈通行時(shí)間 ，紅燈等待時(shí)間的顯示電路,采用數(shù)碼管顯示電路是一種很好的方 法。由于東往西方向和西往東方向顯示的時(shí)間相同，南往北方向 和北往南方向顯示的時(shí)間也相同，所以只需要考慮四位數(shù)碼管顯示電路，其中東西方向兩位，南北方向兩位，兩位數(shù)碼管可以顯示 的時(shí)間為0-99秒完全可以滿足系統(tǒng)的要求。一般情況下交通燈按照車流量大小合理分配通行時(shí)間，按一定規(guī)律變化，但考慮緊急車通行車況，設(shè)計(jì)緊急通行開(kāi)關(guān)。即如果南北方向有特殊車輛要求通過(guò) ， 南北方向轉(zhuǎn)換為綠燈，東西方向?yàn)榧t燈；如果東西方向有特殊車輛要求通過(guò)，東西方向轉(zhuǎn)換為綠燈，南北方向?yàn)榧t燈。為了節(jié)省ATme

25、ga128輸出點(diǎn)數(shù)，并且達(dá)到精確控制倒計(jì)時(shí)的目的，本設(shè)計(jì)選用CD4511顯示譯碼器控制LED倒計(jì)時(shí)顯示管的工作，這樣ATmega128需要4個(gè)接口連接74LS138譯碼器作為片選信號(hào)輸入，選中某片后將信號(hào)直接輸出即可由CD4511顯示譯碼器譯碼送LED顯示倒計(jì)時(shí)數(shù)字值。A CD4511概述CD4511的特點(diǎn)CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，它的特點(diǎn)是具有BCD轉(zhuǎn)換功能；可以實(shí)現(xiàn)消隱和鎖存控制；可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器等。CD4511管腳及功能CD4511具有鎖存、譯碼、消隱功能，通常以反相器作輸出級(jí)，通常用以驅(qū)動(dòng)LED。其引腳圖如圖2.3.4-

26、1所示。圖2.2.4-1 CD4511引腳圖CD4511的管腳及功能如下：BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：3腳是測(cè)試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來(lái)檢測(cè)數(shù)碼管是否損。LE：5腳鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。A1、A2、A3、A4：1，2，6，7腳為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：13，12，11，10，9，15，14腳為譯碼輸出

27、端，輸出為高電平1有效。GND、Vcc：分別為8、16腳，表示的是接地引腳和電源引腳。CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管端接上限流電阻就可工作。B LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)以及顯示原理LED顯示器結(jié)構(gòu)通過(guò)發(fā)光二極管芯片的適當(dāng)連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)結(jié)構(gòu)。可構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)。由這些發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)可以組成數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管共稱筆畫(huà)顯示器，而把筆畫(huà)顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯示器?；镜陌雽?dǎo)體數(shù)碼管是由七個(gè)條狀發(fā)光二極管芯片按圖2.3.4-2排列而成的?？蓪?shí)現(xiàn)09的顯示。圖2.2.4-2 半導(dǎo)體數(shù)碼管LED顯示器

28、分類a按字高分：筆畫(huà)顯示器字高最小有1mm（單片集成式多位數(shù)碼管字高一般在23mm）。其他類型筆畫(huà)顯示器最高可達(dá)12.7mm（0.5英寸）甚至達(dá)數(shù)百毫米。b按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強(qiáng)度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行恰當(dāng)選擇。c按結(jié)構(gòu)分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式。d從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽(yáng)極和共陰極兩種。所謂共陽(yáng)方式是指筆畫(huà)顯示器各段發(fā)光管的陽(yáng)極（即P區(qū)）是公共的，而陰極互相隔離；所謂共陰方式是筆畫(huà)顯示器各段發(fā)光管

29、的陰極（即N區(qū)）是公共的，而陽(yáng)極是互相隔離的。本設(shè)計(jì)研究的是一個(gè)交通燈控制系統(tǒng)，為了避免使司機(jī)將其誤認(rèn)為綠燈，進(jìn)而造成不必要的交通混亂，不采用綠色發(fā)光二極管而是應(yīng)選擇紅色發(fā)光二極管作為倒計(jì)時(shí)顯示器的發(fā)光材料。同時(shí)由于選用的CD4511配接共陰極數(shù)碼顯示管，因此選用紅色、共陰極LED。共陰極的驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)為射極輸出或源極輸出電路，如圖2.2.4-3所示。圖2.2.4-3 共陰極數(shù)碼顯示器輸出電路共陰極結(jié)構(gòu)的數(shù)碼顯示器陰極共地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管陽(yáng)極為高電平時(shí)，將其燃亮，這種結(jié)構(gòu)適用于CD4511類譯碼器的電路。選用共陰極數(shù)碼管TLG342與CD4511的基本連接方式如圖2.3.4-4所示。圖2.2.4

30、-4 共陰極數(shù)碼管與CD4511的基本連接方式C 數(shù)碼管顯示電路本設(shè)計(jì)是三路口聯(lián)合控制，每個(gè)十字路口需要4個(gè)雙顯示數(shù)碼管，所以三路口需要12個(gè)雙線數(shù)碼管。數(shù)碼管由AVR單片機(jī)I/O統(tǒng)一控制。ATmega128的PA0-PA7為數(shù)字信號(hào)輸出口，PB0-PB5為片選輸入口，PB0-PB5與74LS138產(chǎn)生出譯碼，當(dāng)74LS138譯碼器的輸出信號(hào)為低電平時(shí)，說(shuō)明選中相應(yīng)的CD4511，選中后CD4511接受并譯碼送TLG342數(shù)碼顯示管顯示。圖2.3.4-5是以1位顯示為例用CD4511實(shí)現(xiàn)LED與可編程控制器ATmega128的并行接口連接電路。圖2.2.4-5 顯示電路設(shè)計(jì)3 程序設(shè)計(jì)3.1

31、系統(tǒng)主要程序的設(shè)計(jì)道路交通燈控制系統(tǒng)控制程序主要分為以下幾個(gè)模塊：初始化程序、主程序、定時(shí)中斷程序、緊急車輛通行實(shí)時(shí)響應(yīng)程序。初始化程序主要完成的規(guī)劃、定時(shí)器工作模式的設(shè)定、中斷方式等的設(shè)定。要想完成系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，一個(gè)很好的流程圖是必要的，主流程圖代表著一個(gè)系統(tǒng)的工作流程，所以我們先要設(shè)計(jì)出主流程圖，下面是本系統(tǒng)的主流程圖3.1-1。圖3.1-1 主程序流程圖下面是顯示狀態(tài)程序流程圖：圖3.1-1 狀態(tài)圖圖3.1-2 顯示狀態(tài)程序流程圖4 程序調(diào)試4.1 PROTEUS仿真軟件簡(jiǎn)介PROTEUS 嵌入式系統(tǒng)仿真與開(kāi)發(fā)平臺(tái)是由英國(guó)公司開(kāi)發(fā)（授 權(quán)風(fēng)向標(biāo)科技公司為中國(guó)大陸總代理）的 EDA 工具軟

32、件，是目前 世界上最先進(jìn)最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)。 Proteus 軟件 有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它 EDA 工具 一樣的原理布圖 、PCB 自動(dòng)或人工布線及電路仿真的功能外 ，其 革命性的功能是，他的電路仿真是互動(dòng)的，針對(duì)微處理器的應(yīng)用， 還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程， 并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)試， 如有顯示及輸出 ，還能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果 ，配 合 系 統(tǒng) 配 置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，您不需要?jiǎng)e的，Proteus 為 您建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境！ 真正實(shí)現(xiàn)了在沒(méi)有目標(biāo)原形 時(shí)就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，測(cè)試和驗(yàn)證。4.2 系統(tǒng)的模擬仿真4.2.1

33、用 PROTEUS 繪制原理圖運(yùn)行 PROTEUS VSM 的 ISIS 后出現(xiàn)相應(yīng)的界面，點(diǎn)狀的柵格區(qū)域?yàn)槔L圖區(qū)。左側(cè)的上方為電路圖概覽區(qū)，下方是元器件列表區(qū)。單擊 P 后出現(xiàn)的 Pick Device 添加元器件的對(duì)話框，輸入所 要添加的器件名稱，則該器件就會(huì)出現(xiàn)在右側(cè)，單擊 OK 按 鈕，完成一個(gè)元器件的添加。重復(fù)以上過(guò)程，添加好電路中所需的元器件。在元器件列表區(qū)選中某元器件后，在電路圖概覽區(qū)會(huì)出現(xiàn) 該元器件，用鼠標(biāo)將其拖至繪圖區(qū)，將所有需要的元器件在繪圖區(qū)放置好，即可開(kāi)始連線。連線方法很簡(jiǎn)單，將鼠標(biāo)移至元器件引腳后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小十字， 單擊鼠標(biāo)左鍵后移動(dòng)鼠標(biāo)，將線引至 某一引腳處會(huì)再次出

34、現(xiàn)小十字，再次單擊左鍵就完成了一條連線。在布線時(shí)，如果需要轉(zhuǎn)彎，可以在轉(zhuǎn)彎處單擊鼠標(biāo)左鍵。 圖4.2.1-1 就是繪制完成的電路圖圖 4.2.1-1 繪制完成的電路圖4.2.2 PROTEUS 對(duì)單片機(jī)內(nèi)核的仿真電路圖繪制完成后，再添加 ATmega128 的應(yīng)用程序。將鼠標(biāo)移至 ATmega128上，單擊鼠標(biāo)右鍵使之處于選中狀態(tài)，在該器件上單擊左鍵， 打開(kāi)如圖 2 所示的對(duì)話框。在 Program File 欄添加編譯好的十六進(jìn)制格式的程序文件AA.hex(可以接受 3 種格式的文件)，給 ATmega128 輸入晶振頻率，此處默認(rèn)為 1MHZ，單擊 OK 按鈕完成程序添加工作，下面就可以進(jìn)

35、行系統(tǒng)仿真了。單擊主界面下方的按鈕開(kāi)始系統(tǒng)仿真。PROTEUS VSM所進(jìn)行的是一種交互式仿真， 在仿真進(jìn)行中可以對(duì)各控制按鈕、開(kāi)關(guān)等進(jìn)行操作，系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng)會(huì)被真實(shí)的反映出來(lái)。仿真結(jié)果如圖3。開(kāi)始仿真后，開(kāi)關(guān)按鈕通過(guò)鼠標(biāo)單擊來(lái)改變狀態(tài)，所改變狀態(tài)的結(jié)果會(huì)在 LED 和數(shù)碼管顯示出來(lái)。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)方案相符。圖 4.2.2-1 為 ATmega128 添加程序文件圖 4.2.2-2 交通燈仿真界面5 總結(jié)本論文以城市十字路口的交通信號(hào)控制為研究對(duì)象，學(xué)習(xí)和借鑒了國(guó)內(nèi)外在智能交通信號(hào)控制方而已有研究成果，進(jìn)行交通信號(hào)邏輯控制策略的研究。通過(guò)對(duì)十字路口的交通特性分析，建立了十字路口的典型數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)新型車流量的檢測(cè)的學(xué)習(xí)和研究，提出了城市十字路口交通信號(hào)智能化控制，對(duì)交通燈實(shí)施了有效的配時(shí)方